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醇醚類燃料及煤炭液化技術對汽車節能的影響
作者：北京羅道羅環保科技有限公司 時間：2020-05-25 瀏覽：
醇醚類燃料及煤炭液化技術對汽車節能的影響
劉海博
摘要：根據醇醚類燃料的理化特性、與汽油等常規燃料的特性對比，分析了醇醚類燃料的可行性，并指出醇醚類燃料在替代能源應用上存在的問題以及相應的解決方法。通過燃料經濟性計算和動力性能計算，說明醇醚類燃料是良好的車用替代燃料，具有巨大的發展潛力。同時對煤炭液化技術進行了相關的介紹。
關鍵詞：醇醚類 汽車節能 煤炭液化
The of effect Alcohol ether fuel and coal liquefaction technology on automobile energy saving
LIU hai bo
Abstract: According to the alcohol ether fuel physicochemical characteristics, and gasoline and other conventional fuel characteristics, analyzes the feasibility of alcohol ether fuel, and points out that the alcohol ether fuel in alternative energy application, existing problem and corresponding solution. Through the calculation of the fuel economy and power performance calculation, description of alcohol ether fuel is a good vehicle alternative fuels, has huge development potential. The coal liquefaction technique were introduced as well.
Keyword: Glycol ether Vehicle energy saving Coal liquefaction
0 前言
隨著我國汽車工業不斷發展，截至到2011年底，我國汽車保有量已達到1.06億輛，并以年近20％速度遞增. 內燃機汽車燃料主要消耗柴油、汽油為主的石油礦物能源,但的石油資源日趨減少，石油燃料的短缺現象已經出現，并且日益嚴重，2010年我國全年消耗汽油7675萬噸,消耗柴油15900萬噸．汽車用汽油約占汽油總消耗量的85％．柴油占20％．隨著國民經濟的發展，以及汽車進入家庭速度的加快．我國能源供求矛盾將更加突出,巨大的燃油消耗不僅對日益枯竭的石油能源造成巨大壓力．同時大量燃油燃燒不當所排放出的污染物已成為威脅人類生存的主要因素。能源供需矛盾在其它國家同樣存在，各國都在圍繞這一課題進行研究，相繼找到了合成油、甲醇、乙醇、天然氣液化石油氣、二甲醚等替代燃料。醇醚類燃料具有辛烷值高、汽化潛熱大、熱值較低等特點；作為汽車燃料，醇醚類燃料本身含氧，在發動機燃燒中可提高氧燃率，幾乎無碳煙排放，汽化潛熱高，可降低進氣溫度，提高充氣效率，降低燃燒溫度，降低發動機的NO的排放量,因此，在國內適宜地區使用醇醚類燃料，不僅可以改變能源結構，緩解石油緊缺的矛盾，而且可以改善汽車產業對環境的污染。另外,與我國石油資源量相比，煤炭資源相對豐富，預計今后相當長的時期內，煤炭作為我國主要能源的格局不會改變。如果利用煤炭來代替運輸燃料，煤炭必須被轉化成有類似氫含量的液體物質。為此需要直接或間接地從煤中脫碳或加氫。其中種工藝是眾所周知的焦化或熱解，第二種工藝就是煤炭液化。
1 醇醚類燃料的適用性
醇醚類燃料主要是指甲醇和乙醇和甲醚。甲醇來源廣泛，具有能源多樣性，生產工藝成熟的優點。生產甲醇的原料有：木柴、天然石油氣、城市生活垃圾等，凡是可以得到CO及H的原料都可以合成甲醇。上85％以上的甲醇產品是以天然氣為原料生產的。乙醇的生產工藝采用生物發酵法，生產乙醇的原料有單糖類(甘蔗、甜菜等)、淀粉類植物(玉米、土豆、紅薯、大麥等)、化石原料(乙烯)及纖維類(木屑、植物及農作物秸稈)。以玉米為原料的淀粉質發酵生產乙醇工藝技術成熟，產品質量較好，是日前乙醇生產的最主要的工藝。甲醇、乙醇在常溫常壓下以液態形式存在。乙醇燃料主要從農作物中制取，屬于可再生能源，在生態循環中可減少大氣中的CO和溫室效應，已作為車輛的重要環保措施。而從目前的車輛應用角度看，車用代用燃料主要有三類：含氧燃料(醇／醚／酯)、合成油(BTL／CTL／GTL)、氣體燃料(甲烷氣／合成氣／氫氣)。缺油、少氣、富煤是我國的能源資源典型特征。全國煤炭總儲量超過萬億噸，探明可采儲量7650億噸，可開采年限為114年：石油資源量1000億噸，占的2．3％，剩余可采儲量32．7億噸，可開采年限20年；天然氣地質資源量估計超過38萬億立方米，預計可采儲量13萬億立方米，剩余可采儲量15000億立方米，占的l％，可開采年限為50年。而其中醇醚類燃料作為液體燃料，其儲運、分配、攜帶、使用都和傳統的汽、柴油相差無幾，并且其原料資源多，燃燒排放污染物低于石油類燃料，國際和國內研究比較多，技術相對來說也比較成熟。而我國又有較好的資源基礎。因此，當前大力推廣醇醚類燃料是完全可行的。
2 醇醚類燃料的理化性質
2.1醇類燃料的性質
甲醇和乙醇的理化特性相似。醇類的共有特點是其分子中含有羥基一0H(氫氧基)，這個羥基從本質上決定著醇類的理化特性。醇類是羥基與烴基的化合物，其通式為R-OH，其中R代表烴基，OH代表羥基。甲醇和乙醇等是羥基與烴基中的烷基相結合的烷基醇，即脂肪醇。甲醇和乙醇可以視為甲烷與乙烷中一個H原子被一OH所取代而構成。醇類是含氧燃料(而石油系燃料幾乎是不含氧的)，其含氧百分率隨所含碳原子數的增加而迅速下降。含氧燃料盡管其熱值較低，但伴隨而來的是相應的理論空燃比比石油系燃料低。而且含氧百分率愈大，理論空燃比愈小。這就形成醇類燃料理論混合氣的熱值與石油系燃料的理論混合氣熱值大致相仿。對于醇類燃料有條件作為內燃機的代用燃料來說，這一特點是極為重要的。具備這一特點，就使內燃機燃用醇類燃料時，可以保證與原機同等的動力性，即可以發出與原機大致相等的功率和扭矩。乙醇燃料與汽油、柴油物理化學特性的比較,醇醚類是一種無色透明、易揮發、易燃的液體。內燃機燃用的石油燃料(汽油、柴油等)是烴類燃料，而醇類是烴基和羥基組成的化合物。這就從化學性質上決定了醇類可以作為內燃機的代用燃料。與汽油和柴油相比，甲醇和乙醇的熱值都很低。因此使用醇類燃料的汽車有效燃油消耗率較高。甲醇和乙醇的辛烷值很高，可以通過適當提高內燃機的壓縮比來改善熱效率。它們的汽化潛熱都比汽油高，這就使得使用醇類燃料的發動機在低溫狀況下啟動困難。較高的汽化潛熱可以使燃燒溫度下降，這對減少NO的排放是有利的，同時醇類燃料富含氧，有利于燃料徹底燃燒，理論上可以降低尾氣中HC、CO含量。含氧燃料對減少碳煙排放也是非常有利的。根據經驗，燃料含氧量達34％以上，發動機在任何工況下均不產生碳煙。醇類燃料的飽和蒸氣壓比汽油低，低的蒸汽壓力和高的汽化潛熱使其蒸發困難，因而對發動機混合氣形成系統提出了更高的要求。醇類燃料的十六烷值很低，著火性能很差因此在柴油機上使用還需要采取相應的技術措施。醇醚類和汽油、柴油在自身的物理化學性質上，有相似的地方，也有不同的地方。
2.2 常見燃料理化性質對比
常見燃料的主要理化性質如下表所示：
從表中可知醇類與汽油、柴油的理化性質差異主要表現在：
(1)從分子結構上看，汽油中不含氧，而醇類中含氧，更有利于促進燃料的燃燒完全，節省燃料；
(2)醇類含氧量高，使燃料燃燒更加充分，大大改善了尾氣排放性能，C0和CH化合物平均減少了30％以上；
(3)從密度上看，它們的差別不大，混合燃料的密度相近，混合后分離的傾向小；
(4)從沸點看，醇類沸點比汽油低，因此在汽油沸騰的條件下，醇醚類也能沸騰，這對汽化有利。但它是單一組分，缺少高揮發性的組分，對發動機的起動不利；
(5)從凝固點看，二者都較低，在低溫環境溫度下都能正常使用；
(6)閃點是在試驗室狀態下測量的燃料接觸火源時能夠著火的溫度，它影響到燃料的運輸和存放、使用過程的安全性，醇類的閃點遠低于柴油的閃點；
(7)從汽化潛熱看，遠大于汽油的汽化熱，燃料醇類的汽化潛熱約是汽油的2.7倍，燃料醇類汽化時吸收的熱量比汽油大得多，這會引起發動機進氣溫度降低，增加了汽車發動機冷起動的困難；
(8)從低熱值看，醇類比汽油約低40％，因此，做同樣的功，用醇醚類汽油耗量要比普通汽油要多；
(9)從著火溫度看，燃料醇類約為434℃，汽油為250～468℃，可見通常情況下醇醚類要比汽油更難以點燃，這也增加了使用含醇汽油發動機起動的難度；
(10)從理論空燃比看，醇類比汽油小；
(11)從抗爆性看，醇類辛烷值高，抗爆性強，可采用高壓縮比，提高發動機功率，降低耗油量，可抵消因熱值低，耗油量大的不足；
(12)從十六烷值看，醇類十六烷值低，著火性能差，在柴油機中燃用時比較困難。
3 使用醇類燃料的常見問題及解決方案
1．油耗增加
原因：(1)醇類沸點低，揮發性強，在環境溫度高時，車用醇類汽油的揮發量要比車用無鉛汽油的揮發量大；(2)由于駕駛員對醇類燃料的特性不太了解，措施要點掌握不夠，如點火時間調整得不合適、混合氣偏稀等；(3)隨著行駛里程數的增加，車用醇類汽油比普通汽油更易在進氣閥門表面及周圍形成積炭，且沉積物的生成會隨著行駛里程數的增加而增加。如果不及時清洗，會影響進氣閥關閉的嚴密性，導致燃燒不完全、油耗上升。
解決辦法：(1)清潔油箱、油路；(2)適當調整點火時間、混合氣濃度等；(3)使用清洗型醇類汽油清潔劑。
2．易產生氣阻(主要在天熱的情況下)
原因：盡管醇類燃料在38℃時的飽和蒸汽壓比汽油低得多(汽油為74～88kPa，醇類為17KPa)，但醇類燃料的沸點低，在超過其沸點溫度的高溫下，氣壓會迅速增大。因此夏季行車時，在長時間大功率、大負荷高速行駛和在市區內長時間的低速升空調行駛的情況下，都會引起發動機溫度偏高，產生氣阻現象。
解決辦法：(1)降低醇類汽油組分油的蒸汽壓數值；(2)檢查油箱附件一蒸汽閥的工作狀況，必要時予以疏通維護或更換。
3．起步發動和加速不良
原因：(1)一般都與油路不暢有關，致使供油不足，因為在使用醇類燃料后，將原來粘在油箱壁上的膠質顆粒等雜質沖洗掉，堵塞了汽油濾清器或燃油噴嘴；(2)混合氣偏稀。
解決方法：(1)檢查清理油路，排除故障；(2)調整點火時間。
4．使用中分層現象
原因：醇類與汽油難以互溶，但抗水性較差，醇類汽油一旦遇水就會發生相分離，造成油箱上、中、下各部醇類與汽油的比例不同，使車用醇類汽油不能正常燃燒，影響使用效果。
解決方法：GBl8351—2004《車用乙醇汽油》對水分含量有嚴格的限制，規定車用乙醇汽油水分含量不大于O．20％。因此，只要是正規加油站出售的車用乙醇汽油就不會出現因含水產生分層而帶來麻煩。
5．腐蝕現象
原因：醇類在燃燒過程中，會產生乙酸，對汽車燃料系統的許多金屬都有腐蝕性，可以腐蝕銅、鐵、鋁、鉛、鎂、鋅及它們的許多合金，且醇類含量越高，腐蝕性越大。
解決方法：(1)改變發動機金屬材料，使用耐腐蝕的金屬制造發動機；(2)在燃料中加防腐蝕添加劑。
6．橡膠材料出現溶脹裂紋現象
原因：醇類汽油對供油系統的橡膠部件(如油泵的油封、墊圈等)有一定的溶脹作用，可導致后者產生溶脹、軟化、龜裂進而失效，對塑料件也有類似的作用。
解決方法：(1)選擇合適的橡膠或塑料材料作為燃料系統部件，如采用氟橡膠、氟硅橡膠、聚硫橡膠、氯丁橡膠等耐醇類汽油混合燃料的材料代替合成橡膠、聚脂樹脂等材料。(2)在燃料中加入某些添加劑也可以減輕醇類汽油對橡膠和塑料材料的溶脹。
7．發動機磨損
原因：(1)醇類汽油能將氣缸和活塞環等部位的潤滑油膜洗掉，加大磨損；(2)醇類汽油燃燒時生成酸，能直接腐蝕金屬，造成腐蝕磨損，而且酸還能與潤滑油中的抗氧防腐劑(如二烷基二硫代磷酸鋅)發生反應而使其失效，從而增大各摩擦部位的腐蝕與磨損。
解決方法：(1)改變發動機材料(如活塞環鍍鉻)；(2)使用專用的醇類燃料發動機潤滑油(堿度較高，可中和醇類燃料燃燒產生的酸)。
4 醇類燃料在汽車上性能的計算分析
4.1燃料經濟性計算
汽車的燃料消耗量能從試驗中得出，也可以從理論上進行估算，這主要依據于燃料本身的低熱值。以乙醇為例：
汽油燃料的低熱值為43.5 MJ／kg，而乙醇的低熱值為26.77 MJ／kg，甲醇更低為9.66 MJ／kg，乙醇低熱值為汽油低熱值的61．5％。從理論上講其燃料消耗量的比值應該是l：1.6。不考慮燃燒效率等因素，可以肯定的是汽車燃用醇類燃料比汽油的每百公里消耗量要增大。但這并不意味著每百公里燃料費用就會上升。因為醇類燃料生產成本比汽油要低很多，折算下來，汽車的最終運行成本要更低一些。即便成本一樣，在當今石油匱乏的情形下也是可以接受的。當然，不同醇類與汽油以不同比例摻燒，所取得的經濟效益也不一樣，這里以低比例的E3093#乙醇汽油進行理論計算。主要以燃料的低熱值進行估算。
式(1)為醇類汽油密度的計算公式，式(2)為醇類汽油低熱值的計算公式。
() (1)
式中：醇類汽油密度；純汽油的密度：純汽油的體積百分比；醇的密度；醇的體積百分比；添加劑的密度；添加劑的體積百分比.
(kj/kg) (2)
式中：、、，分別為汽油、乙醇、添加劑的低熱值，單位取kJ/kg。這里以E3093#乙醇汽油進行計算，該乙醇汽油未加添加劑。
=0．735×0．7+0．790×0．3=0．752()
=(43500×0．735×0．7+26770×0．790×0．3)／0．752=38223．9(kJ／kg)
汽油與E3093#乙醇汽油低熱值之比為1.14，說明在理想狀態下，汽車以E3093#乙醇汽油為燃料其消耗量應該比汽油高14％．
4.2動力性能計算
當氣缸工作容積和進氣條件一定時，每循環加給工質的熱量取決于單位體積可燃混合氣的熱值，而不僅僅取決于燃料的熱值。影響汽車發動機動力性能的是可燃混合氣熱值，是指每燃燒一千摩爾的混合氣所能放出的熱量，以kj／kmol或kj/表示，理論上可由式(3)、式(4)計算。
式中：-可燃混合氣的熱值；過量空氣系數； Mr-燃料分子量；-燃料低熱值； 理論空氣量；實際所需空氣量
理論空氣量為lkg燃料完全燃燒理論上所需要的空氣量，是發動機進氣系統設計的基礎。可以按下式計算。
(5)
式中燃料中碳的質量成分； 燃料中氫的質量成分；燃料中氧的質量成分：
因此，lkg醇類燃料完全燃燒理論上所需要的空氣量
為： ．’
而醇類混合燃料的平均分子量計算如下：
式中：醇類混合燃料所需要的空氣量；酵類混合燃料的平均分子量；
、和，分別為汽油、醇、添加劑的分子量，
經計算，汽油、乙醇的理論空氣量分別為由式(4)計算得到E3093#乙醇汽油與汽油混合氣的熱值分別為.E3093#比汽油混合氣的熱值僅降低0．70％，降幅很小，汽車動力性應該不會受到很大的影響。
5 醇類燃料對發動機性能的影響
甲醇與汽油摻燒在火花點火發動機上使用時，甲醇體積分數小于15％(M15)時不需對發動機作任何改動，當甲醇大于該含量時需要對發動機進行改進或重新設計。對于未作改進的發動機，在使用甲醇汽油時，隨著甲醇比例的增加，發動機功率和扭矩下降，有效效率增加。對于使用M85或M100的發動機，改變壓縮比后，其熱效率可以提高。另外，甲醇有較高的層流火焰傳播速度，這將使燃燒提前結束，從而提高發動機熱效率。試驗發現，壓縮比相同時，發動機使用甲醇的熱效率比使用汽油高7％一13％。其主要原因是甲醇發動機的滯燃期和主燃期縮短，燃燒速率高，燃燒壓力循環變動小。因此，經過改進的發動機在使用甲醇時可以擁有良好的動力性能和經濟性能。使用甲醇和乙醇對發動機的燃料供給系統，潤滑系統和潤滑油都有一定的影響。主要體現在對各機械部件的磨損和對潤滑油品質的影響。相關研究表明，使用醇類燃料使潤滑油溫度升高、黏度增加、潤滑油含水量、戊烷不溶物、鐵粒等污染物增多用。醇類發動機燃料供給系統的磨損主要發生在高壓油泵和燃料噴射系統。造成燃料供給系統磨損的主要原因是醇類燃料的潤滑性差、腐蝕性強。醇類燃料對潤滑系統的影響主要體現在汽缸壁，氣門傳動組，和連桿軸承的磨損。造成汽缸壁和氣門傳動組磨損的主要原因時醇類燃料在燃燒過程中產生了酸性物質，水和液態醇對潤滑油膜的沖洗作用。而連桿軸承的磨損主要是由以上兩種磨損產生的金屬磨粒所引起的。使用低滲醇率汽油對發動機磨損不是很明顯，隨著滲醇率的增高，發動機的磨損將增大。
乙醇燃料在發動機上使用主要采用與汽油摻燒的方式，也可以用乳化劑使乙醇和柴油生成穩定乳化液，但目前乙醇與柴油摻燒尚未進入實用化階段。當汽油中摻醇含量不超過10％時，發動機可以不作任何調整或稍作改進。使用乙醇汽油時，對發動機進行改進后，其動力性能與原汽油機相當。乙醇的低熱值比甲醇高但比常規燃料低。在汽油機上使用乙醇汽油，發動機的燃油消耗率增加，但發動機熱效率提高。由于乙醇的粘度比汽油高很多，在管路流動阻力較大，在火花點火發動機上使用，有可能使高速、高負荷時功率上不去使用乙醇燃料對發動機燃料供給系統，潤滑系統和潤滑油也有一定的影響。但與甲醇相比，乙醇燃燒產生的酸性物質較少，因此對機械的磨損程度較小。
6 煤炭液化技術的分類
6.1煤炭的直接液化技術
煤的直接液化是指煤在適當的溫度和壓力下，催化加氫裂化(熱裂、溶劑、萃取、非催化裂化等)成液體烴類，生成少量氣體烴，脫出煤中氮、氧和硫等雜原子的深度轉化過程?。理論上講，煤加氫液化分為輕度加氫和深度加氫。通過加氫，煤結構中某些鍵斷開，將固態煤轉變成液體產物和氣態產物。直接液化工藝旨在向煤的有機結構中加氫，破壞煤結構產生可蒸餾液體。目前已經開發出多種直接液化工藝，但就基本化學反應而言，它們非常接近，共同特征是：在高溫和高壓的條件下在溶劑中將較高比例的煤溶解，然后加入氫氣和催化劑進行加氫裂化過程。直接液化是目前可使用的最有效的液化方式。在合適的條件下，液體產率超過70％ (以干燥、無礦物質煤計)。如果允許熱量損失和其它非煤能量輸入的話，采用現代化的液化工藝時總熱效率一般為60％-70％。
6.2煤炭的間接液化技術
煤的間接液化是將煤氣化制得一氧化碳和以后，在溫度為250℃左右中壓為15—40 MPa和催化劑作用下，合成主要產物碳水化合物，再經過一系列加工，最終得到汽油、柴油、石蠟和化學品的工藝過程。間接液化的“核心”部分是合成反應環節。因此，人們普遍認為應當優先選用漿態床流化床反應器。最近，大部分研究工作集中在研制性能先進的催化劑上，因為間接液化催化劑并不針對具體的工藝。
結語
從醇醚類燃料的綜合性能來看，醇類燃料有較大的發展潛力。在沒有開發出更優越的汽車替代能源之前，醇醚類是比較理想的替代燃料。甲醇價格低，可以有效降低常規有害排放，然而其對金屬的腐蝕性和對橡膠的溶脹性成為其推廣使用的障礙。另外甲醇燃燒時甲醛排放較高也成為影響其推廣使用的不利因素。乙醇在儲存運輸、燃燒排放方面具有良好的性能，而且乙醇是可再生能源，發展前景廣闊。與甲醇相比，乙醇在價格上處于劣勢，這給乙醇的推廣使用帶來了很大困難。糧食乙醇無益于減少溫室氣體排放，而且糧食在生產過程中所使用的化肥農藥等也會對環境造成污染。從經濟角度來講，發展糧食乙醇的意義不大。而纖維素乙醇能降低乙醇生產成本，相對降低溫室氣體排放。我國的煤炭資源豐富，煤種齊全。發展煤炭液化技術具有重要意義，它能使我們更好的發揮資源優勢，優化終端能源結構，從而補充國內石油供需缺口。
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